Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексенко Алексей

Действительно, в обычном делении наличие когезинового клея между хроматидами сигнализирует клетке, что все приготовления к делению прошли успешно, ДНК удвоена и пора растаскивать хромосомы. А если клея нет – он растворился, – значит, деление позади и пора снова удваивать хромосомы (то есть реплицировать ДНК). Но после первого деления мейоза клей остается на месте. Наивная клетка делает из этого вывод – в контексте мейоза совершенно верный, – что удваивать хромосомы не нужно, а можно сразу переходить к делению. По мнению Кавалье-Смита, это и есть простой и экономичный способ, которым воспользовалась эволюция, чтобы превратить митоз в мейоз, то есть вместо одного деления заставить клетку пройти два последовательных, не удваивая в промежутке свою ДНК. Уменьшение числа хромосом вдвое – неизбежный результат этой якобы ошибки.

Кавалье-Смит высказывал эту гипотезу еще в начале 1980-х. Чтобы найти героя, ответственного за ошибку – прямо-таки провоцирующего ее, – ученым понадобилось еще некоторое время.

Пожалуй, стоит рассказать поподробнее, как именно его уличили: это отличный пример ухищрений, на которые идут исследователи в современных молекулярно-биологических экспериментах. Японские биологи работали с дрожжами. Вопрос ставился так: что не дает когезину при мейозе нормально раствориться, как это происходит при простом делении клеток? Как я упоминал, клетка использует при мейозе не совсем обычный когезин, хотя и очень похожий на обычный. Для начала исследователи заменили в дрожжах обычный когезин на мейотический. Клетки почти не заметили этой подмены и продолжали делиться как ни в чем не бывало. А затем хитрые японцы сделали «библиотеку» генов (о том, что это такое, шла речь в двадцать седьмой главе). Они зашили случайные куски дрожжевого генома в особую молекулу ДНК, в которой был промотор – сигнальная последовательность, позволяющая по заказу включать расположенный рядом ген на полную мощность. Эту «библиотеку» ввели в дрожжи: в каждую клетку попала молекула ДНК с определенным геном, который по сигналу выдавал свой продукт, то есть в конечном итоге какой-то белок. Из клеток получили колонии, то есть клоны. И вот в одной колонии при включении промотора деление клеток останавливалось: хроматиды никак не могли отделиться друг от друга, поскольку оставались склеенными, как будто у нас на дворе не митоз, а самый настоящий мейоз. Похоже, что именно попавший в эти клетки «библиотечный» ген своей деятельностью препятствовал растворению когезина.

Ген, который был виновником этого безобразия, выловили. Он кодировал белок, который исследователи назвали шугошин. Это имя отсылает к названию самурайских духов-защитников, нечто вроде нашего ангела-хранителя, только злее и бескомпромисснее. Так японские биологи решили продемонстрировать верность своей самобытной культуре и, возможно, даже как-то популяризировать ее среди чужеземцев.

Про шугошины выяснилось вот что. В определенный момент клеточного деления когезиновый клей должен разрушиться, и для этого у клетки есть особый механизм. Чтобы его включить, к белкам-когезинам сперва привешиваются остатки фосфорной кислоты (фосфаты), и уж потом меченные фосфатами когезины безжалостно уничтожаются. Но при мейозе вокруг центромер в большом количестве собираются молекулы шугошинов. Они пристально следят за состоянием когезина и, едва заметив на нем фосфатную группу, немедленно ее удаляют с помощью других белков, фосфатаз. Эту работу они продолжают делать до второго деления мейоза, когда хроматидам наконец настанет черед расстаться. Тут шугошины, как по команде, исчезают, а следом за ними исчезает и охраняемый ими клей.

Таким образом, если следовать логике Кавалье-Смита, то явление шугошинов – это и есть тот самый решительный эволюционный шаг, который превратил обычное митотическое деление клеток в загадочный и сложный мейоз. Правда, странно, что Кавалье-Смит не считал главным отличием мейоза от митоза взаимное узнавание гомологичных хромосом. Возможно, он полагал, что для объяснения этого этапа достаточно обычной рекомбинации, которая бывает у всех организмов и во всех клетках. Вполне простительный для 1980-х годов недосмотр: о том, насколько сложно устроено узнавание гомологов, которое может вообще не зависеть от рекомбинации и двойных разрывов, биологи узнали гораздо позже, а деталей процесса не понимают до сих пор.

Как потом оказалось, роль шугошинов при мейозе далеко не ограничивается описанной работой по охране белкового клея, однако тут мы их оставим, чтобы уделить внимание еще одной интересной детали мейозного механизма. Это не один герой, а целое семейство с общим родовым именем.

Тот факт, что наш читатель читает сейчас вот это, может свидетельствовать о его необычных литературных вкусах, и тогда, чем черт не шутит, он может быть знаком с фантастической вселенной Барсум, созданной в начале ХХ века Эдгаром Берроузом[18] и позже ставшей местом действия бесчисленных комиксов. В ней, в частности, действуют искусственные люди хормады (hormads). Именно так и называются наши герои, только писать их принято прописными буквами. HORMADs – семейство белков, получивших свое имя по трем самым известным представителям, HOP1, REV7 и MAD2. У этих белков не так уж много общего, но они схожи между собой одной деталью, которую, собственно, и назвали HORMA-доменом, а уж от него пошло название всего семейства.

Этот домен часто сравнивают с ремнем безопасности в автомобиле. У него есть два состояния: когда ремень пристегнут, водитель или пассажир не могут встать с кресла, а если пряжку расстегнуть, тогда все в порядке, можно выходить. Мне, однако, больше нравится сравнение со специальной рукой для обнимания. Этой рукой (а на самом деле цепочкой аминокислот) наши хормады способны крепко обнимать другие белки за особое место, так что эти белки никак не могут выбраться из объятий по топологическим причинам. Особое место для обнимания есть и у некоторых хормадов, так что они вполне способны обнимать друг друга и таким образом слипаться в большие скопления.

Эта склонность обниматься используется клеткой для самых разных функций, и не все они связаны с мейозом. Однако кое-что общее у хормадов есть: удерживая одни белки и отпуская другие, они следят за тем, чтобы все процессы шли правильно. Например, самый изученный дрожжевой хормад HOP1 (а также его родственники в человеческих клетках) обеспечивает подбор правильных инструментов для рекомбинации и построения синаптонемного комплекса, то есть ключевые стадии мейоза. Благодаря ему, например, рекомбинация обычно проходит между гомологичными хромосомами, а не между сестринскими хроматидами. А еще эти белки сигнализируют, если что-то пойдет не так: как выражаются биологи, они обслуживают «чекпойнты», то есть контрольно-пропускные пункты. Если к моменту перехода к следующему этапу оказывается, что предыдущий шаг был сделан неверно, все останавливается. Если ошибку можно поправить, клетка ее исправляет, а если нет, она обречена на клеточную смерть.

Когда хормады не работают, вероятность ошибок сильно возрастает. Один из хормадов у червяка C. elegans называется HIM-3. Мы уже сталкивались с этой аббревиатурой, которая означает «повышенную частоту самцов». Если помните, HIM-8 обеспечивал «табличку» на X-хромосоме червя, и его отсутствие влекло за собой потерю X-хромосомы. А у мутантов HIM-3 эта хромосома теряется по другой причине: соответствующий белок необходим для правильного построения синаптонемного комплекса, то есть укладки двух гомологичных хромосом перед тем, как развести их по разным клеткам в первом делении мейоза. Детали не очень ясны, но, видимо, своей обнимательной рукой HIM-3 собирает элементы этого механизма.

О винтиках и шестеренках мейоза можно говорить бесконечно, но есть опасность до смерти всем наскучить. И все же вот напоследок еще один интересный фрагмент пазла. Вообще-то, он важен для любого клеточного деления, потому что его работа состоит в том, чтобы не дать ни одной хромосоме потеряться на самой последней стадии – когда веретено уже растащило хромосомы по полюсам клетки и настала пора снова заключить их в ядро. В этот момент в клетке стремительно разрастается тонкая молекулярная пленка – ядерная мембрана. В конце концов она образует пузырь, так что все хромосомы оказываются внутри, а вся прочая клеточная машинерия снаружи.